(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子を容易に製造する。【解決手段】基板２の表面上に下部電極層３を形成する。続いて、下部電極層３の表面上に第１磁性層４を形成する。次に、第１磁性層４の表面上に自己形成法により非磁性絶縁層５を形成する。非磁性絶縁層５を形成した後、第１磁性層４表面の微小領域及び非磁性絶縁層５をともに覆うように第２磁性層６を積層し、導通部７を形成する。そして、第２磁性層６の表面上に上部電極層８を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁性層を形成する工程と、
前記第１磁性層上に、自己形成法によって、前記第１磁性層の表面の微小領域を露出させる非磁性絶縁層を形成する工程と、
前記微小領域において前記第１磁性層と接触する第２磁性層を形成する工程と備えている磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記非磁性絶縁層を形成する工程において、平均層厚が所定値となるように前記非磁性絶縁層を形成することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記非磁性絶縁層を形成する工程において、前記非磁性絶縁層の平均層厚を０．５ｎｍ〜５ｎｍとすることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記非磁性絶縁層を形成する工程において、径が０．５ｎｍ〜１０ｎｍである前記微小領域を露出させると共に、平均層厚が０．５ｎｍ〜５ｎｍの前記非磁性絶縁層を形成することを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記非磁性絶縁層を形成する工程において、酸化アルミニウムからなる前記非磁性絶縁層を形成することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部磁場を電気抵抗変化によって計測する磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日用いられている代表的な磁気抵抗効果素子としては、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子や、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子が挙げられる。これらのような磁気抵抗効果素子は、磁化方向が外部磁場によらず一定である第１磁性層と、均一で平坦に形成される非磁性中間層と、磁化方向が外部磁場に合わせて変化する第２磁性層とがこの順で積層されており、上記各素子にセンス電流を流すことで、外部磁場のセンシングを行っている。すなわち、外部磁場により第１磁性層と第２磁性層との磁化方向が平行または反平行と変化する際の電気抵抗変化を読み取ることで、磁気センシングを可能としている。ここで非磁性中間層の役割としては、第１、第２磁性層間の磁気結合を分断し、それにより磁化の反平行状態を実現することであり、また、ＴＭＲの場合は、それに加え、センス電流が第１磁性層から第２磁性層へトンネル電流として伝導させるために用いられている。また、ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子の他に、数百％以上の大きな磁気抵抗を得る手段として、弾道磁気抵抗効果（ＢＭＲ）を利用した素子が提案されている。ここでいうＢＭＲとは、２つの磁性体が電子フェルミ波長程度の微小接点を介して接するとき、電子スピンが原子からの散乱を受けることなく弾道的に上記の微小接点を伝導するため、その際数百％以上と大きな磁気抵抗比を示す現象のことをいう。このようなＢＭＲ素子を薄膜デバイスとした一例である下記特許文献１には、第１磁性層と第２磁性層との間にＮｉとＡｌからなる合金層（中間層）を形成し、次にこの合金層を相分離させることにより、Ａｌ相内に微小なＮｉ領域を析出させ、さらにＡｌを酸化することにより、酸化Ａｌの絶縁母相中に微小なＮｉ相を形成する方法が示されている。これにより、第１磁性層と第２磁性層とが微小なＮｉ相による微小接点を介して接するため、ＢＭＲ効果による大きな磁気抵抗が観測される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１５３２４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のＢＭＲ素子においては、上述した相分離を行うのに素子の熱処理工程等が必要なために作製が容易でないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、磁気抵抗効果素子を容易に製造できる磁気抵抗効果素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００６】
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１磁性層を形成する工程と、前記第１磁性層上に、自己形成法によって、前記第１磁性層の表面の微小領域を露出させる非磁性絶縁層を形成する工程と、前記微小領域において前記第１磁性層と接触する第２磁性層を形成する工程と備えている。このように自己形成法を用いることによって磁気抵抗効果素子を容易に製造することができる。ここで、自己形成法とは、形成される層とその下地にあたる層との濡れ性の違いにより、前記の形成される層が島状の微細構造として形成される現象を利用した形成法であり、例えば、金属からなる層の上部に絶縁体を形成する場合は、互いの濡れ性の違いから絶縁体は金属に密着することができず、島状に形成される。
【０００７】
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、前記非磁性絶縁層を形成する工程において、平均層厚が所定値となるように前記非磁性絶縁層を形成することが好ましい。このように自己形成法で形成される非磁性絶縁層の平均層厚を制御することによって、適度な大きさの微小領域を非磁性絶縁層から露出させることができるので、特性の優れた磁気抵抗効果素子を容易に形成できる。
【０００８】
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、前記非磁性絶縁層を形成する工程において、前記非磁性絶縁層の平均層厚を０．５ｎｍ〜５ｎｍとすることが好ましい。これにより、適度な大きさの微小領域を非磁性絶縁層から露出させることができる。つまり、非磁性絶縁層の平均層厚を０．５ｎｍよりも薄くすると、露出する微小領域が大き過ぎるものとなり、他方、非磁性絶縁層の平均層厚を５ｎｍよりも厚くすると、露出する微小領域が小さ過ぎるものとなる又は微小領域を露出させることができなくなってしまう。
【０００９】
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、前記非磁性絶縁層を形成する工程において、径が０．５ｎｍ〜１０ｎｍである前記微小領域を露出させると共に、平均層厚が０．５ｎｍ〜５ｎｍの前記非磁性絶縁層を形成することが好ましい。これにより、微小領域の径及び非磁性絶縁層の平均層厚が電子のフェルミ波長程度となるので、大きな磁気抵抗比が得られる磁気抵抗効果素子を製造できる。
【００１０】
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、前記非磁性絶縁層を形成する工程において、酸化アルミニウムからなる前記非磁性絶縁層を形成することが好ましい。これにより、第１磁性層上に自己形成法によって非磁性絶縁層として形成された酸化アルミニウムは、第１磁性層の表面の微小領域を露出させやすいので、目的とする大きさの微小領域をより容易に形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態に係るＢＭＲ素子について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るＢＭＲ素子を示す模式断面図である。
【００１２】
図１に示すＢＭＲ素子１において、基板２の表面上に下部電極層３が形成され、さらにその表面上に第１磁性層４が積層されている。また、この第１磁性層４の表面上には、第１磁性層の表面の微小領域を露出させる非磁性絶縁層５が形成されている。さらに、第１磁性層４表面の微小領域及び非磁性絶縁層５をともに覆うように第２磁性層６が積層されることにより、導通部７が非磁性絶縁層５間に形成される。そして、第２磁性層６の表面上に上部電極層８が積層されている。
【００１３】
基板２としては、表面が平坦なもの（平均粗さとして０．５ｎｍ以下）が望ましい。例えば、表面熱酸化処理を施したＳｉ（シリコン）基板、ガラス基板等が好適である。
【００１４】
下部電極層３及び上部電極層８は、素子の外部から電圧を印加して、伝導電子を素子内に流すための電極層であって、電気抵抗の低い材料、例えば、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕやこれらの元素を含む金属材料が適している。下部電極層３及び上部電極層８の形成に当たっては、基板２と下部電極層３の密着性を高める目的、又は、下部電極層３及び上部電極層８の結晶粒径や結晶構造、表面粗度を制御する目的で、下部電極層３を形成するのに先立ってシード層（図示しない）を形成しても構わない。このシード層は、例えば、Ｔａ，Ｔｉ，Ｒｕ，Ｃｒや、これらの元素を含む金属材料を単層で、又は積層して用いることができる。
【００１５】
第１磁性層４は、パーマロイなどのＮｉを主成分とした磁性体が好ましい。なお、第１磁性層４はピン層であるため、Ｎｉを主成分とした磁性体の代わりに保磁力の大きいＣｏＰｔなどを用いることもできる。また、見かけ上の保磁力を上げるためスピンバルブ構造としてもよい。その場合は、第１磁性層４の形成前に、例えばＭｎＩｒなどの反強磁性層を形成するとよい。なお、このようなピン層の層厚としては、２〜５０ｎｍが好適である。
【００１６】
非磁性絶縁層５は、酸化アルミニウムや酸化シリコンなどの酸化物、窒化アルミニウムや窒化シリコンなどの窒化物が好適である。特に、酸化アルミニウムは、金属膜上に自己形成法により形成した場合、いわゆる濡れ性が悪く金属膜にはじかれるという性質を有するため、島状の粒に形成されることが知られている。非磁性絶縁層５は、この酸化アルミニウムの島状の粒同士が接触するように、その大きさを制御することにより形成される。
【００１７】
第２磁性層６は、パーマロイなどのＮｉを主成分とした磁性体が好ましい。フリー層である第２磁性層６の層厚としては、２〜２０ｎｍが好適である。なお、本実施形態では、第１磁性層４を先に形成する例を示したが、第２磁性層６を先に形成し、第１磁性層４（ピン層）と第２磁性層６（フリー層）との配置を入れ替えてもかまわない。
【００１８】
導通部７は、図１に示すとおり、第２磁性層６において、第１磁性層４の表面における島状の粒間に存在し、第１磁性層の表面において微小領域となっている部位である。導通部７の大きさは、島状の粒間の距離を径（Ｄ）、非磁性絶縁層５の層厚と同じ距離を深さ（Ｈ）として表すことができ、径（Ｄ）の平均が０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、深さ（Ｈ）の平均が０．５ｎｍ〜５ｎｍであることが好ましい。ここで、径（Ｄ）の平均とは一定線分内（例えば１マイクロメートル）の島状の粒間の距離の平均値のことであり、また、深さ（Ｈ）の平均とは島状の粒の統計的な平均層厚（平均高さ）のことである。
【００１９】
次に、ＢＭＲ素子１の製造方法について、図２を用いて説明する。図２は、ＢＭＲ素子１の製造方法を工程順に示す断面図である。なお、各層の形成にはスパッタリング法を用いることができるが、これに限られず、各層を形成できる方法であればどのようなものでもよい。
【００２０】
まず、基板２の表面上に下部電極層３を形成する（図２（ａ））。続いて、下部電極層３の表面上に第１磁性層４を形成する（図２（ｂ））。次に、第１磁性層４の表面上に自己形成法により非磁性絶縁層５を形成する（図２（ｃ））。このとき、非磁性絶縁層５の平均層厚（平均高さ）を０．５ｎｍ〜５ｎｍに調整することが好ましい。非磁性絶縁層５に酸化アルミニウムを用いている場合には、その平均層厚（平均高さ）を０．５ｎｍ〜５ｎｍに調整することにより、大きさや形状、密度の制御を行うと、径が０．５ｎｍ〜１０ｎｍである微小領域を露出させることができる。なお、酸化アルミニウムの組成を変化させることによっても形状などの制御を行うことができる。さらに、基板温度、スパッタ真空度、スパッタ電圧、スパッタガスなどを変化させて、非磁性絶縁層５の形状などの制御を行うことも可能である。ここで、スパッタリングの場合、プラズマ電源としてはＲＦ電源を用いる。ＲＦ電力を１００Ｗとして、５０秒で０．５ｎｍ、１００秒で１．０ｎｍだけ成膜する。その他の層形成方法としては、イオンビームスパッタ、ＥＣＲスパッタ、ＣＶＤなどが可能である。
【００２１】
このようにして非磁性絶縁層５を形成した後、第１磁性層４表面の微小領域及び非磁性絶縁層５をともに覆うように第２磁性層６を積層し、導通部７を形成する（図２（ｄ））。最後に、第２磁性層６の表面上に上部電極層８を形成することにより、ＢＭＲ素子１が完成する（図２（ｅ））。
【００２２】
次に、ＢＭＲ素子１の動作について、図３を用いて説明する。図３は、図１における非磁性絶縁層５周辺部を拡大した断面模式図であり、（ａ）は第１磁性層４（ピン層）と第２磁性層６（フリー層）とが反平行に磁化した状態、（ｂ）は平行に磁化した状態を示す図である（図３では便宜上第２磁性層６をフリー層としている。）。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、第１磁性層４（ピン層）と第２磁性層６（フリー層）との磁化方向が互いに反平行の場合、磁壁は狭小部に存在しやすいため、導通部７において磁壁１１が形成される。このように形成された磁壁１１の幅（図３において磁壁１１の紙面縦方向の距離を指す）は、導通部７の大きさに比例し小さく限定されている。ここで、磁壁とは、磁化の向きが徐々に（連続して）変化（回転）する領域のことをいい、本実施形態においては、最終的に１８０°磁化の方向が変わる１８０°磁壁を用いている。なお、磁気抵抗効果素子において磁壁の大きさが非常に小さい場合、大きな磁気抵抗を発現することが、例えば応用磁気学会誌Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．７（２００３年）に掲載されている。
【００２４】
さらに、第２磁性層６がＮｉを主成分とする場合、Ｎｉは交換スティフネス係数の小さい磁性体であるため、磁壁１１の幅は非常に小さくなる。そしてこのような微小磁壁は大きな電気抵抗を生じる。ここで、上述の交換スティフネス係数とは、強磁性体において隣接原子のスピンが互いに平行に並ぶように及ぼす力の程度のことを表しており、Ａ＝ＪexＳ2／ａ（Ａ：交換スティフネス係数、Ｊex:交換積分、Ｓ:断面積、ａ:格子定数）と定義されるものである。よって交換スティフネス係数Ａが小さいということは、磁壁のようにスピンが連続的に回転している（平行からずれる）領域において平行になろうとする力が小さいので、より回転角度を大きくとることができ、磁壁幅が小さくなることになる。逆に、交換スティフネス係数Ａが大きい場合は、回転角が大きくとれず、１８０°回転するのに長い距離が必要となるため、磁壁幅は長くなることになる。交換スティフネス係数Ａの例としては、Ｆｅ：２．０、Ｃｏ：１．３、Ｎｉ：０．８、ＮｉＦｅ：０．７（単位：１０-11Ｊ／ｍ）が挙げられる。
【００２５】
一方、図３（ｂ）に示すように、第１磁性層４（ピン層）と第２磁性層６（フリー層）との磁化方向が互いに平行の場合、上述したような磁壁は形成されないため抵抗は小さい。すなわち、第２磁性層６の磁化方向により微小な磁壁１１が生成、消滅することにより、ＢＭＲ素子１は大きな磁気抵抗比を発現する。また、導通部７の大きさが非常に小さく、そこに形成される磁壁１１がフェルミ波長程度に小さい場合は、伝導電子は弾道的に磁壁１１を通過するため、非常に大きな磁気抵抗を示す。
【００２６】
上記構成の本実施形態によれば、自己形成法で形成される非磁性絶縁層５の平均層厚を制御する（好ましくは平均層厚を０．５ｎｍ〜５ｎｍに制御する）ことによって、適度な大きさの微小領域を非磁性絶縁層５から露出させることができるので、特性の優れたBMR素子１を容易に形成できる。特に、非磁性絶縁層５に酸化アルミニウムを用いた場合、第１磁性層４の表面の微小領域を露出させやすいので、目的とする大きさの微小領域をより容易に形成できる。
【００２７】
また、微小領域の径及び非磁性絶縁層５の平均層厚が電子のフェルミ波長程度となるので、大きな磁気抵抗比が得られるＢＭＲ素子１を製造できる。
【００２８】
さらに、ピン層である第１磁性層４を形成する前に反強磁性層を形成しておくことで、第１磁性層４に一方向異方性を与えて磁化を固定することにより、見かけ上の保磁力を上げて、大きな磁気抵抗比が得られるスピンバルブ型のＢＭＲ素子１を製造することもできる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る磁気ヘッドについて説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る磁気ヘッドを示す模式断面図である。
【００３０】
本実施形態に係る磁気ヘッド２０は、第１実施形態と同構成のＢＭＲ素子２１と、ＢＭＲ素子２１上に積層された半導体レーザー層２２と、半導体レーザー層２２に上に積層されたスライダ２３とを備えている。また、磁気ヘッド２０は、ＢＭＲ素子２１、半導体レーザー層２２、及びスライダ２３が、媒体２４にそれぞれ対向するように設置されている。
【００３１】
ＢＭＲ素子２１は、図５に示す第１磁性層３４、非磁性絶縁層３５、第２磁性層３６のそれぞれは、第１実施形態に係るＢＭＲ素子１における第１磁性層４、非磁性絶縁層５、第２磁性層６と同様のものである。なお、他の層も第１実施形態に係るＢＭＲ素子１の各層と同様の層であるので、ここではその説明を省略する。
【００３２】
半導体レーザー層２２は、ＧａＮ系などの短波長レーザー光や比較的長波長のＧａＡｓ系レーザー光を放射する光源を用いることができるが、従来公知の構成のものであればどのようなものでもよい。
【００３３】
スライダ２３には、サファイア、ＧａＮ（窒化ガリウム）もしくはＳｉ（シリコン）等を用いることができる。
【００３４】
媒体２４は、例えばｎ形フェリ磁性体からなる磁気記録媒体であって、レーザー光による光アシスト記録再生に使用するのに適しているものである。なお、光アシスト記録再生に適しているものであればどのような材料からなるものであってもよい。
【００３５】
次に、磁気ヘッド２０の動作について、図４及び図５を用いて説明する。再生時には、半導体レーザー層２２から媒体２４の再生領域に向けてレーザー光２５が照射されるが、このレーザー光２５の一部（例えば媒体２４からの反射光等）をＢＭＲ素子２１の昇温に用いることが可能である。なお、昇温によって、一般的に磁性体の磁化は小さくなるが、同時に磁壁のサイズも小さくすることができる。したがって、ＢＭＲ素子２１は、図５に示すように、レーザー光２５の照射による昇温によりサイズを狭小した磁壁３７を導通部（図示せず）に形成できる。磁壁３７の幅（図５の積層方向の距離）は狭いほど磁気抵抗は大きくなるため、レーザー光２５の照射を行って昇温させることにより磁気抵抗比率をさらに上げることができる。ただし、第１磁性層３４、第２磁性層３６のキュリー点を越えて昇温すると、これらの磁性層の分極率は０となるため、逆に磁気抵抗は減少する。そのため昇温度としては、５０〜３５０°Ｃが適当である。なお、この昇温により、磁壁３７のサイズがもともと大きい場合でもその大きさを調節して小さくすることができるため、ＢＭＲ素子２１の作製時のマージン（導通部の大きさの誤差許容値）を大きく取ることができる。なお、このような昇温の手段としては、特にレーザー光に限る必要はなく、微小領域を昇温できれば例えば微小なヒータ等を用いても良い。
【００３６】
本実施形態の磁気ヘッドによれば、磁界センシング時（再生時）には、レーザー光２５をＢＭＲ素子２１に照射することで、導通部に存在する磁壁３７を昇温、狭小化することができる。これにより、高感度かつ信頼性の高い磁気再生が可能となる。
【実施例】
【００３７】
次に、実施例を用いて、本発明のＢＭＲ素子において、電流が非磁性絶縁層を通過せずに導通部を通過しているかどうかを検証する。
【００３８】
まず、第１実施形態におけるＢＭＲ素子１と同形態のＢＭＲ素子であって、下部電極層３及び上部電極層８に層厚が３００ｎｍの銅層、非磁性絶縁層５に酸化アルミニウム層（層厚が０．５ｎｍ及び１．０ｎｍの２種類）、第１磁性層４としてＣｏＰｔ層（１５ｎｍ）、第２磁性層６としてＮｉ層（１５ｎｍ）、基板２と下部電極層３との間にシード層（図示せず）としてＣｒ層（５ｎｍ）を形成し、試料として作製した。また、比較のために酸化アルミニウム層がないＢＭＲ素子も作製した。
【００３９】
これらの試料について、Ｉ−Ｖ（電流電圧）特性の測定を行った。その結果を図６に示す。図６から分かるように、酸化アルミニウム層がない場合の０．５Ωに比べ、酸化アルミニウムの層厚が０．５ｎｍのときは１．２Ω、１．０ｎｍのときは２．８Ωと層厚が増えるに従い、電気抵抗値が増加している。これは、層厚の増加に従い酸化アルミニウムの粒が大きくなっていき、同時に導通部は狭くなるため、次第に電流断面積が減り、その結果電気抵抗が上がったと考えることができる。また、図６のＩ−Ｖ特性は直線的であり、伝導は金属的であることから、伝導電子は非磁性絶縁層をトンネル電流として流れたのではなく非磁性絶縁層部分を避け、金属である導通部を伝導したといえる。
【００４０】
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ＢＭＲ素子中や磁気ヘッド中における各層の材料、層厚などは適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＢＭＲ素子の模式断面図である。
【図２】図１に示すＢＭＲ素子の製造工程を順に説明するための模式断面図である。
【図３】図１における非磁性絶縁層周辺部を拡大した断面模式図であり、（ａ）は第１磁性層と第２磁性層とが反平行に磁化した状態、（ｂ）は平行に磁化した状態を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る磁気ヘッドを示す模式断面図である。
【図５】図４のＢＭＲ素子の動作を説明するための非磁性絶縁層周辺部を拡大した断面模式図である。
【図６】本発明に係る実施例及び比較例のＢＭＲ素子のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１、２１    ＢＭＲ素子
２          基板
３          下部電極層
４、３４    第１磁性層
５、３５    非磁性絶縁層
６、３６    第２磁性層
７          導通部
８          上部電極層
１１、３７  磁壁
２０        磁気ヘッド
２２        半導体レーザー層
２３        スライダ
２４        媒体
２５        レーザー光
【図１】
2007073597.tif 000003
【図２】
2007073597.tif 000004
【図３】
2007073597.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007073597.tif 000007
【図６】
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